Las bombas criogénicas de Vanzetti Engineering han sido seleccionadas para el proyecto ARIA del Instituto Italiano de Física Nuclear (INFN). La compañía suministrará dos bombas criogénicas de su serie VT-1 para el proyecto que consiste en la construcción de una torre de destilación criogénica de 350 metros de altura en Cerdeña para producir argón ultra-puro, necesario para para la realización de experimentos con materia oscura. Las bombas criogénicas serán componentes del circuito auxiliar de la planta, cuya función es recircular el nitrógeno líquido hacia la unidad primaria de destilación de argón puro.

El proyecto Aria, iniciado en 2015, forma parte del experimento DarkSide-20k*, realizado en los Laboratorios Nacionales Gran Sasso (LNGS) del INFN, cuyo objetivo es detectar la presencia de materia oscura. La materia oscura, cuya naturaleza sigue siendo desconocida hasta la fecha, constituye la mayor parte de la materia de nuestro universo, donde está presente en cantidades cinco veces mayores que la materia ordinaria. Por tanto, la comprensión de su naturaleza sigue siendo uno de los principales ámbitos de investigación de la física fundamental, ya que supondría una contribución decisiva a los estudios de cosmología, física y astrofísica. El experimento DarkSide-20k está dirigido por la Colaboración Científica Internacional DarkSide, en la que trabajan más de 500 investigadores de universidades e institutos de investigación de todo el mundo.

Para llevar a cabo el experimento, los investigadores utilizarán un detector que emplea argón líquido como centelleador para detectar la interacción de las WIMP (siglas en ingles de Weakly Interacting Massive Particles o partículas masivas débilmente interactuantes), una especie de partículas que algunas teorías consideran entre las candidatas más prometedoras como componentes de la materia oscura. Para realizar esto se necesitarán grandes cantidades de argón empobrecido, es decir, sin el isótopo 39. Esto ha llevado al desarrollo de dos proyectos del INFN relacionados con DarkSide: Urania y Aria.

La primera es la construcción de una instalación en Colorado, donde se ha encontrado una fuente de argón limpia bajo tierra, protegida de los rayos cósmicos y, por tanto, no contaminada por ellos. Gracias al proyecto Urania, iniciado a su vez por el INFN, el argón empobrecido que se obtenga se transportará a Cerdeña, donde se filtrará y purificará mediante el proyecto Aria. Por último, el argón puro se introducirá en el detector DarkSide-20 de los laboratorios nacionales Gran Sasso con fines de investigación.

El Proyecto Aria consiste por tanto en la construcción de una columna de destilación para la producción de argón super-puro, así como un sistema de refrigeración de nitrógeno líquido basado en los equipos de Vanzetti Engineering. La compañía ha proporcionado dos bombas de relanzamiento del nitrógeno líquido, que se utilizan para trasladar el nitrógeno líquido desde el fondo hasta la parte superior de la columna. Son dos bombas criogénicas reciprocantes idénticas de la serie VT-1, cada una de las cuales actúa como reserva de la otra.

Este movimiento contribuye a la purificación extrema del argón mediante ciclos repetidos de evaporación y condensación, con el objetivo último de eliminar las sustancias no deseadas que pudieran alterar los resultados de los experimentos científicos realizados sobre la materia oscura.

El proyecto también requirió la construcción de un pozo bajo tierra para anclar la columna de destilación, de unos 350 metros de altura, ya que sería imposible construir una estructura de soporte de tales dimensiones en la superficie. Así surgió la idea de explotar un pozo de esta misma profundidad de una mina de carbón situada en la provincia de Cerdeña Sur y gestionada por Carbosulcis S.p.A., una empresa pública perteneciente a la Región de Cerdeña.

Las bombas criogénicas son uno de los pocos elementos del sistema que se instalan en el fondo del pozo de la mina. Las bombas VT-1 garantizan una altura de impulsión de 350 metros y son capaces de funcionar de forma óptima continuamente (24/7) incluso en entornos cerrados con altos niveles de humedad.

“El objetivo principal de la columna de destilación del Proyecto Aria es producir argón para el experimento DarkSide, pero como permite producir isótopos estables de otro elementos (como el oxígeno 18, el carbono 12 y el nitrógeno 15, además de otros posibles isótopos), también tiene un importante interés industrial y comercial para diversas aplicaciones, como la medicina nuclear para el diagnóstico médico, la agricultura biológica o la microelectrónica de precisión”, explica Federico Gabriele, Coordinador Técnico del proyecto e investigador del INFN.

“Actualmente, estas sustancias sólo se producen en unos pocos centros de todo el mundo mediante diferentes métodos, como la técnica de centrifugación, que requiere un gran consumo de energía”, añade Gabriele. “En cambio, el Proyecto Aria aprovecha la diferencia de volatilidad entre estas sustancias, de hecho, la destilación se realiza por separación de los isótopos gracias a su coeficiente de volatilidad, lo que permite reducir considerablemente los costes de producción. Teniendo en cuenta que las cantidades diarias de producción de estas sustancias son actualmente del orden de decenas de kilos y que se trata de un mercado en rápida expansión, está clara la importancia del proyecto y el considerable potencial de esta planta, que será única en el mundo por su tipo y tamaño, incluso a nivel industrial”.